FR2821119A1 - Procede et dispositif de reduction de rejets de substances polluantes dans les gaz d'echappement d'un moteur thermique - Google Patents

Procede et dispositif de reduction de rejets de substances polluantes dans les gaz d'echappement d'un moteur thermique Download PDF

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Abstract

Le moteur thermique (1) comporte une ligne d'échappement (4) reliée à au moins une chambre de combustion du moteur (1) pour l'évacuation des gaz d'échappement sur laquelle est disposé le pot catalytique (5) de dépollution des gaz d'échappement. On injecte de l'hydrogène provenant d'un réservoir de stockage (2) dans l'une au moins de la ligne d'échappement (4) et de la chambre de combustion du moteur (1). De préférence, on réchauffe le pot catalytique (5) en injectant et en brûlant de l'hydrogène provenant de la réserve d'hydrogène (2) dans la ligne d'échappement (4), en amont du pot catalytique (5). La réserve d'hydrogène (2) peut être constituée par un réservoir d'hydrogène liquide à basse température ou sous pression ou par un matériau de stockage d'hydrogène sous forme stabilisée.

Description

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L'invention concerne un procédé et un dispositif de réduction des rejets de substances polluantes dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique qui peut être un moteur Diesel ou un moteur à essence.
Les moteurs thermiques des véhicules automobiles comportent des chambres de combustion dans lesquelles un carburant, par exemple du gazole ou de l'essence, subit une combustion et produit des gaz brûlés qui sont évacués par des tubulures d'échappement reliées aux chambres de combustion du moteur et une ligne d'échappement du véhicule automobile.
Les améliorations apportées, sur différents points techniques, aux moteurs thermiques de véhicule automobile ont permis de réaliser des progrès importants, quant à la combustion du carburant, de telle sorte que les gaz d'échappement ne renferment que des quantités limitées de produits polluants, tels que du monoxyde de carbone CO, des oxydes d'azote NOx, des hydrocarbures imbrûlés ou des particules de suies.
Pour réduire à un niveau très faible les rejets de produits polluants dans les gaz d'échappement et en particulier les quantités de monoxyde de carbone, d'oxydes d'azote et d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, on peut utiliser des pots catalytiques qui sont disposés sur la ligne d'échappement, de manière à être traversés par les gaz d'échappement et à réaliser l'oxydation ou la réduction des produits polluants par catalyse.
De tels pots catalytiques comportent généralement un corps poreux délimitant des canaux de passage des gaz qui sont revêtus de catalyseur constitué par exemple par des métaux précieux.
Les pots catalytiques ne fonctionnent de manière satisfaisante pour éliminer les polluants par oxydation ou réduction que lorsque leur température est supérieure à une température d'amorçage de l'oxydation ou de la réduction catalysée des polluants.
Les pots catalytiques doivent donc être réchauffés et maintenus en température pour assurer une élimination satisfaisante des polluants.
L'échauffement et le maintien en température des pots catalytiques sont assurés par les gaz d'échappement qui traversent le pot catalytique.
Dans certaines phases de fonctionnement du véhicule automobile, par
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exemple lors d'un premier démarrage à froid, dans des phases d'arrêt et de redémarrage du moteur, ou encore dans des conditions de circulation à basse vitesse, par exemple dans le cas d'une circulation dans une zone urbaine, la température des gaz d'échappement peut être insuffisante pour porter le catalyseur à une température supérieure à la température d'amor- çage de l'oxydation ou de la réduction catalysée des polluants.
Pendant ces phases de fonctionnement, il est souhaitable de disposer de moyens de réchauffage auxiliaires du pot catalytique, ou de faire fonctionner le moteur de manière qu'il ne se forme que des quantités réduites de substances polluantes dans les gaz d'échappement.
Dans le cas de véhicules automobiles ayant une source d'énergie électrique comportant une pile à combustible, la pile à combustible ou un reformeur alimentant la pile à combustible produisent de l'hydrogène qui peut être fortement en excès pendant certaines phases de fonctionnement du véhicule automobile.
Dans une demande de brevet déposée le même jour que la présente demande, on a proposé d'utiliser une pile à combustible équipant un véhicule automobile pour assurer le réchauffage du pot catalytique, dans certaines phases au moins d'utilisation du véhicule automobile et/ou pour réduire les quantités de substances polluantes provenant de la chambre de combustion du moteur.
Ce procédé s'applique aussi bien à des véhicules automobiles de type hybride comportant un moteur électrique alimenté par la pile à combustible et un moteur thermique, que des véhicules de type classique ne comportant qu'un moteur thermique, par exemple de type Diesel ou à essence.
En particulier, le réchauffage du pot catalytique peut être assuré par injection de l'hydrogène produit en excès par la pile à combustible ou le reformeur, à l'intérieur de la ligne d'échappement du véhicule automobile, en amont du pot catalytique.
Un tel procédé n'est pas utilisable, de manière générale, lorsque le véhicule automobile ne comporte pas de pile à combustible, ce qui est le cas de la plupart des véhicules actuels.
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Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de réduction des rejets de substances polluantes dans les gaz d'échappement d'un mo- teur thermique comportant une ligne d'échappement reliée à au moins une chambre de combustion du moteur, pour l'évacuation des gaz d'échappement du moteur, sur laquelle est placé un pot catalytique, ce procédé permettant de réduire les rejets de substances polluantes dans toutes les phases de fonctionnement du moteur thermique.
Dans ce but, on injecte, dans l'une au moins de la ligne d'échappement en amont du pot catalytique placé sur la ligne d'échappement et de la chambre de combustion du moteur, de l'hydrogène provenant d'une réserve de stockage, au moins dans certaines phases de fonctionnement du moteur.
L'invention est mise en oeuvre de préférence suivant l'une des modalités suivantes : - on fait brûler de l'hydrogène injecté dans la ligne d'échappement en amont du pot catalytique, de manière à réchauffer le pot catalytique ; - on améliore des réactions de réduction d'oxydes d'azote Nox dans le pot catalytique, en injectant de l'hydrogène dans la ligne d'échappement en amont du pot catalytique ; - on substitue à une partie au moins d'un carburant du moteur renfermant des hydrocarbures, de l'hydrogène injecté dans la chambre de combustion du moteur, pendant certaines phases au moins du fonctionnement du moteur.
L'invention concerne également un dispositif de réduction de rejets de substances polluantes dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique comportant une ligne d'échappement reliée à au moins une chambre de combustion du moteur sur laquelle est placé un pot catalytique de dépollution des gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'il comporte une réserve d'hydrogène et au moins une conduite de liaison de la réserve d'hydrogène à l'une au moins de la ligne d'échappement, en amont du pot catalytique, et d'une chambre de combustion du moteur.
Figure img00030001
Lorsque le moteur thermique est un moteur de propulsion d'un véhicule automobile, la réserve de stockage d'hydrogène est embarquée sur le véhicule automobile.
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Figure img00040001
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, en se référant à la figure unique jointe en annexe, un véhicule automobile de type classique comportant un réservoir auxiliaire d'hydrogène pour assurer le réchauffage d'un pot catalytique et/ou pour limiter la quantité de substances polluantes dans les gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion du moteur.
La figure unique est une vue schématique du moteur, de la ligne d'échappement et de moyens d'injection d'hydrogène pour la mise en oeuvre de l'invention.
Sur la figure 1, on voit le moteur de propulsion 1 du véhicule automobile qui peut être constitué par un moteur de type Diesel ou un moteur à essence auquel est relié une ligne d'échappement 4. Sur la ligne d'échappement 4 est placé un pot catalytique 5 comportant une enveloppe dans la- quelle est disposé un catalyseur, par exemple un monolith comportant des canaux de passage des gaz d'échappement provenant du moteur 1 revêtus de métaux catalyseurs permettant de convertir, par oxydation ou réduction,
Figure img00040002

les gaz polluants du moteur tels que le monoxyde de carbone CO, les oxy- des d'azote NOx et les hydrocarbures imbrûlés, en gaz de combustion tel que C02 et H20.
Selon l'invention, une réserve d'hydrogène 2 est fixée sur une partie du véhicule automobile et reliée à la ligne d'échappement 4, en amont du pot catalytique 5, par une première conduite d'injection d'hydrogène 7 ainsi qu'à la ou les chambres de combustion du moteur 1, par une seconde conduite d'injection 9.
La réserve d'hydrogène 2 peut être constituée par une réserve d'hydrogène sous forme liquide à basse température telle qu'un réservoir cryogénique, une réserve d'hydrogène sous haute pression, telle qu'un tube ou une bouteille renfermant de l'hydrogène sous pression, ou encore par une réserve d'hydrogène dans un matériau de stockage d'hydrogène sous forme stabilisée tel qu'un hydrure ou un matériau constitué par des nanotubes en carbone.
De manière générale, tout matériau permettant de stocker de l'hydrogène sous forme stabilisée peut être utilisé, qu'il s'agisse de matériaux chi-
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miques de combinaison de l'hydrogène tel que des hydrures métalliques ou de matériaux d'absorption tels que le carbone sous forme de tubes ayant un très faible diamètre intérieur pour la retenue de l'hydrogène.
Dans certains cas, la source d'hydrogène 2 pourrait être avantageusement remplacée par un reformeur relié à un réservoir d'un carburant renfermant au moins un composé hydrogéné, du même type que les reformeurs utilisés en combinaison avec des piles à combustible et fournissant de l'hydrogène à de telles piles à combustible.
Une sonde 6 de mesure des conditions de fonctionnement du pot catalytique 5 est reliée au pot catalytique, la sonde 6 pouvant être par exemple une sonde de température permettant de détecter la température à l'intérieur du pot catalytique.
La sonde 6 est reliée à un dispositif de régulation et de commande électronique 3 tel qu'un superviseur permettant de commander l'injection d'hydrogène à partir de la source 2 dans le conduit d'échappement 4 du moteur 1, par l'intermédiaire de la conduite d'injection 7.
Pour cela, le superviseur 3 est relié électriquement à un moyen 8 de commande de l'injection d'hydrogène, qui peut être constitué par exemple par une électrovanne ou un ensemble d'électrovannes.
Le superviseur 3 permet de comparer la température mesurée par la sonde 6 à une température limite correspondant à la température d'amor- çage des réactions d'oxydation dans le pot catalytique 5.
Lorsque la température mesurée est inférieure à la température d'amorçage, le superviseur 3 commande, par l'intermédiaire de l'unité de commande 8, l'injection d'hydrogène dans la ligne d'échappement 4, de telle sorte que la chaleur et les gaz comburants contenus dans les gaz d'échappement produisent une combustion de l'hydrogène qui se produit avec un très fort dégagement de chaleur.
Figure img00050001
En outre, la combustion de l'hydrogène ne produit ni oxyde de carbone, ni hydrocarbure. Les gaz très chauds produits par la combustion de l'hydrogène et traversant le pot catalytique 5 assurent un échauffement et une mise en température du pot catalytique 5.
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L'injection d'hydrogène en excès en amont du pot catalytique permet également de favoriser l'élimination de certains polluants dans le pot cataly- tique, par exemple l'élimination des oxydes d'azote Nox, par réduction.
Le réchauffage du pot catalytique par le procédé suivant l'invention est susceptible d'être effectué dans certaines phases de fonctionnement du véhicule automobile, en particulier dans le cas d'un démarrage à froid et dans le cas d'une circulation urbaine, le moteur 1 tournant pendant de longues périodes à basses vitesses ou au ralenti.
Dans ces phases de fonctionnement du véhicule automobile, le moteur a tendance à produire de plus grandes quantités de substances polluantes telles que des hydrocarbures imbrûlés et des oxydes de carbone, alors que le catalyseur n'a pas atteint sa température d'amorçage. La substitution totale ou partielle d'hydrogène provenant de la réserve de stockage 2 au carburant renfermant des hydrocarbures, injecté dans la ou les chambres de combustion du moteur 1 permet alors de réduire ou de supprimer la production de polluants. L'hydrogène qui est injecté par la conduite 9 dans la ou les chambres de combustion du moteur permet de faire fonctionner le moteur dans des conditions peu ou non polluantes, lorsque le pot catalytique n'a pas encore atteint sa température d'amorçage. L'injection d'hydrogène dans la ou les chambres de combustion du moteur, par la conduite 9, peut être commandée par tout moyen manuel ou automatique.
Le dispositif suivant l'invention est également particulièrement intéressant, dans le cas d'un véhicule automobile comportant un système d'arrêt et de redémarrage de son moteur thermique, indépendamment de la commande du conducteur du véhicule, pour limiter la pollution produite par le moteur. Un tel système, appelé"stop and start"est d'autant plus satisfaisant que le pot catalytique peut être mis et maintenu en température pendant les périodes d'arrêt du moteur thermique qui peuvent être de durées plus longues.
Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent également de choisir des modes de pilotage différents du moteur thermique avec des paramètres tels que le taux de régénération des gaz d'échappement (EGR) ou
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la richesse du mélange, déterminés dans le but d'optimiser d'autres paramètres, tels que la consommation du moteur.
De manière générale, l'invention s'applique à tout type de véhicule automobile comportant un moteur thermique et une ligne d'échappement sur laquelle est disposé un pot catalytique.
L'invention peut s'appliquer également dans le cas de moteurs thermiques utilisés pour la propulsion navale ou de moteurs thermiques d'installations fixes ou mobiles mais non liés directement à un système de propulsion par une transmission, tels que des moteurs de groupes électrogènes.
Le procédé et le dispositif suivant l'invention peuvent mettre en oeuvre une réserve d'hydrogène de tout type et des moyens de commande d'injection d'hydrogène en particulier de type automatique utilisant tout type de sonde et de moyens de calcul et de commande.

Claims (11)

  1. Figure img00080001
    REVENDICATIONS 1.-Procédé de réduction des rejets de substances polluantes dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique (1) comportant une ligne d'échappement (4) reliée à au moins une chambre de combustion du moteur (1), pour l'évacuation des gaz d'échappement du moteur (1), sur laquelle est placé un pot catalytique (5), caractérisé par le fait qu'on injecte, dans l'une au moins de la ligne d'échappement (4) en amont du pot catalytique (5) placé sur la ligne d'échappement (4) et de la chambre de combustion du moteur (1), de l'hydrogène provenant d'une réserve de stockage (2), au moins dans certaines phases de fonctionnement du moteur (1).
  2. 2.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fait brûler de l'hydrogène injecté dans la ligne d'échappement (4), en amont du pot catalytique (5), de manière à réchauffer le pot catalytique (5).
    Figure img00080002
  3. 3.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on améliore des réactions de réduction d'oxydes d'azote NOx dans le pot catalytique (5), en injectant de l'hydrogène dans la ligne d'échappement (4), en amont du pot catalytique (5).
  4. 4.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on substitue à une partie au moins d'un carburant du mo- teur (1) renfermant des hydrocarbures, de l'hydrogène injecté dans la chambre de combustion du moteur (1), pendant certaines phases au moins du fonctionnement du moteur (1).
  5. 5.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la réserve d'hydrogène (2) est de l'un des types suivants : réserve d'hydrogène sous forme liquide, réservoir cryogénique, réserve d'hydrogène sous forme gazeuse, tube ou bouteille d'hydrogène sous pression, matériau de stockage d'hydrogène sous forme stabilisée, hydrures métalliques, et nanotubes de carbone.
  6. 6.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la réserve d'hydrogène est constituée par un reformeur alimenté en un carburant renfermant au moins un composé hydrogéné.
  7. 7.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'on commande une injection d'hydrogène dans la ligne
    <Desc/Clms Page number 9>
    d'échappement (4) en amont du pot catalytique (5), lorsqu'on détecte une température du pot catalytique inférieure à une température d'amorçage de l'oxydation de polluants à l'intérieur du pot catalytique (5).
  8. 8.-Dispositif de réduction de rejets de substances polluantes dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique (1) comportant une ligne d'échappement (4) reliée à au moins une chambre de combustion du moteur (1) sur laquelle est placé un pot catalytique (5) de dépollution des gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'il comporte une réserve d'hydrogène (2) et au moins une conduite (7,9) de liaison de la réserve d'hydrogène (2) à l'une au moins de la ligne d'échappement (4), en amont du pot catalytique (5) et de la chambre de combustion du moteur (1).
  9. 9.-Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que la réserve d'hydrogène (2) est de l'un des types suivants : réserve d'hydrogène sous forme liquide, réservoir cryogénique, réserve d'hydrogène sous forme gazeuse, tube ou bouteille d'hydrogène sous pression, matériau de stockage d'hydrogène sous forme stabilisée, hydrures métalliques, et nanotubes de carbone.
  10. 10.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un moyen de réglage et de commande (3), tel qu'un superviseur relié à une sonde (6) de mesure de température du pot catalytique (5) et à des moyens (8) de commande d'injection
    Figure img00090001
    d'hydrogène à partir de la réserve d'hydrogène (2).
  11. 11.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le moteur thermique (1) est un moteur de propulsion d'un véhicule automobile, caractérisé par le fait que la réserve de stockage d'hydrogène (2) est embarquée sur le véhicule automobile.
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